تكنولوجيا EVsالبطارياتالشواحن

هل شحن البطارية بسرعة فائقة سيكون حلا للسيارات الكهربائية؟

العلماء يقولون أن شحن البطارية بسرعة فائقة أمامه معوقات كثيرة

الاتجاه السائد في بطاريات السيارات الكهربائية هو أن الأكبر هو الأفضل. لكن ربما شحن البطارية بسرعة فائقة ربما يمثل حلا سحريا لشركات صناعة السيارات حيث يضيف نطاقا سريعا للسيارات الكهربائية ويساعد الشركات أن تفعل المزيد بتكلفة أقل.

الدكتور ISSAM MUDAWAR ، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة بيرديو ، يعمل على حل حالات الطوارئ المتعلقة بالحرارة أثناء الشحن , ويقول : إن  الإلكترونيات المليئة بتريليونات الترانزستورات ، تولد كميات هائلة من الحرارة. لذلك يأتي الحالمون إلى مدور ، اتقديم حل من اجل  الإدارة الحرارية عمليات شحن البطاريات . يقول: “يبدو دائمًا أن التبريد هو آخر ما يفكر فيه الناس”.

مشكلة شحن البطارية بسرعة فائقة

قبل عامين ، اتصلت فورد بمدور لتقديم حل يتعلق بكابل شحن. مثل شركات صناعة السيارات الأخرى ، فإن فورد في سباق لتقديم السيارات الكهربائية التي تعمل بسرعة. لكن هناك مشكلة في تحريك الإلكترونات بشكل أسرع: إنها تجلب الحرارة. إذا كان الهدف هو شحن سيارتك الكهربائية ، على سبيل المثال ، لمدة خمس دقائق ، فإن حركة الإلكترونيات تمثل مشاكل متعلقة بدرجة الحرارة داخل البطارية وخارجها. الحبل ، على وجه الخصوص ، يصبح عنق الزجاجة مفرط السخونة وهو الكابل .

يعمل مدور على حل مشكلة شحن البطارية بسرعة فائقة .حيث حددت وزارة الطاقة الأمريكية ما يسمى بالشحن السريع الفائق الذي يعمل على إضافة 200 ميل من النطاق في غضون 10 دقائق فقط في الشحنة الواحدة. يمكن الوصول إلى هذا من خلال محطات الشحن والكابلات الموجودة ، والتي لم تصل قدراتها إلى الحد الأقصى ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى مخاوف الحرارة الخاصة بها. في هذه الأثناء ، يتوقع عمل مدور مستقبلاً عندما يكون ملء سيارة بالإلكترونات قد ينافس الوقت الذي تستغرقه مضخة الوقود في ملئ السيارة بمحطات الوقود العادية .

البطاريات الأكبر لن تكون حلا

في الآونة الأخيرة ، الاتجاه السائد في السيارات الكهربائية هو أن الأكبر هو الأفضل. يستهدف صانعو السيارات الآن 400 ميل من المدى كترياق لـ “القلق من المدى” ، بينما يقومون في نفس الوقت بإثارة كهربة المواد الأساسية للطرق الأمريكية والمتمثلة في المركبات الكهربائية الكبيرة مثل  Chevy Silverados و Ford F-150s و Hummers. السيارات الضخمة بالإضافة إلى متطلبات النطاق الهائلة تعني بطاريات عملاقة تمامًا. مما لا يثير الدهشة ، أن هذا يأتي مع مقايضة: شحن تلك البطاريات الكبيرة يستغرق وقتًا إضافيًا. قد يكون الخيار الأسرع هو الحصول على شحن كامل خلال 30 أو 40 دقيقة من أحدث أجهزة الشحن على الطرق السريعة ، والتي تمثل حوالي 5 في المائة من تعبئة المركبات الكهربائية ، وفقًا لوزارة الطاقة. في الغالب ، على الرغم من ذلك ، تم تصميم هذه السيارات للسائقين الذين يمكنهم التوصيل في المنزل والسماح لهذه البطارية الضخمة بشحنها طوال الليل.

من الصعب الجمع بين الاثنين ، كما يوضح أحمد بيساران ، خبير تخزين الطاقة في المختبر الوطني للطاقة المتجددة. عبارة مثل “الشحن لمدة خمس دقائق” تعني شيئًا مختلفًا تمامًا إذا كنت تشحن بطارية بقدرة 200 كيلو وات في الساعة ، مثل تلك الموجودة في هامر ، مقابل بطارية 40 كيلووات في الساعة في نيسان ليف. تحتاج هذه البطاريات الكبيرة إلى طاقة أكبر بكثير ، ولديها حواجز هيكلية تجعل من الصعب القيام بشحن نفسها بسرعة. سيتطلب ذلك على الأرجح شواحن واستراتيجيات بطارية جديدة ، وكابلات جديدة فاخرة ، وربما حتى ترقيات لخطوط النقل التي تشغل أجهزة الشحن حتى يتمكنوا من التعامل مع الارتفاع الهائل في الطلب. يقول: “إنني أتساءل عن الحكمة في سبب حاجتنا إلى امتلاك نطاق 500 ميل في سيارة كهربائية ونريد أيضًا شحنًا سريعًا في غضون خمس دقائق”. “أين تريد أن تذهب؟ كم مرة تحتاج للقيام بذلك؟ ” لكنه يضيف ، قد يكون مجرد أمر لا مفر منه.

اسباب تعيق شحن البطارية بسرعة فائقة

في الوقت الحالي ، لا يمكن لمعظم السيارات الاستفادة من أقوى محطات الشحن التي نمتلكها بالفعل ، كما يقول تشاو يانغ وانغ ، باحث البطاريات في جامعة ولاية بنسلفانيا. تم العثور على الأسباب التي تعيق شحن البطارية بسرعة فائقة في الغالب المشكلة داخل البطارية نفسها ، وأبرزها ظاهرة تسمى طلاء الليثيوم. عندما يتم شحن البطاريات ، تستقر أيونات الليثيوم داخل أنود مصنوع من الجرافيت. في محاولة لتعبئة المزيد من الطاقة في البطاريات ، تم تصميم هذه المادة لتكون سميكة جدًا ، بحيث يمكنها استيعاب المزيد من الأيونات. لكن هذا يصبح عقبة أمام الشحن. مع زيادة شدة التيار ، لا تستطيع هذه الأيونات الدخول إلى مادة الأنود السميكة بالسرعة الكافية. لذا بدلا من ذلك فإنها تتراكم على سطحه كمعدن الليثيوم – إنها صفائح. وبمجرد حدوث ذلك ، لا عودة إلى الوراء. تفقد البطارية تدريجيًا الوصول إلى تلك الأيونات ، وبالتالي تفقد قدرتها على الشحن بالكامل.

 

طورت مجموعة متنوعة من المعامل والشركات الناشئة حلولاً محتملة لمشكلة شحن البطارية بسرعة فائقة، بما في ذلك تغيير القطب الموجب إلى السيليكون أو المضاءة معدن الهيوم ، بدلا من الجرافيت. يتمثل حل وانج ، الذي نُشر العام الماضي في مجلة Nature Energy ، في إضافة المزيد من الحرارة إلى المعادلة. يعمل شريط رفيع من رقائق النيكل داخل البطارية على طهي البطارية بسرعة تصل إلى 60 درجة مئوية – وهي درجة حرارة تتحرك فيها أيونات الليثيوم بسرعة أكبر للعثور على مقاعدها في القطب الموجب. يسمح هذا لتيار أعلى بالتدفق إلى البطارية دون التسبب في تصفيح البطارية ، مما يقلل من الدقائق الثمينة من الشحن.

يتصور وانغ شحن بطارية لمدة 10 دقائق تتراوح بين 40 و 50 كيلو واط. يتماشى هذا مع تعريف الشحن فائق السرعة التي تريده وزارة الطاقة – الكثير من الطاقة للحصول على 200 ميل من المدى في سيارة فعالة ، على الرغم من أن حوالي نصف الطاقة المخزنة داخل سيارة تسلا عالية الجودة ، أو ربع طاقة بطارية السيارة. سيلفرادو القادمة. وبالنسبة إلى إريك رونتري ، رئيس تطوير الأعمال في شركة EC Power ، وهي شركة تقوم بتسويق تكنولوجيا وانغ ، فهذا ليس بالأمر السيئ. “أحد المخاوف التي لدينا هي أن الاتجاه الحالي للسيارات الكهربائية هو أمر مناقض لما يجب أن نذهب إليه” ، كما يقول. “نريد استخدامًا أفضل للطاقة المتجددة.” وهذا يعني السيارات التي تضع ضغطًا أقل على الشبكة ، والتي تستخدم موارد طبيعية أقل في بطارياتها.

في أماكن أخرى من العالم ، تحظى المركبات قصيرة المدى بشعبية بالفعل ، حتى بدون الشحن السريع. ويشير إلى مثال الصين ، حيث تكون السيارات الكهربائية المصغرة التي تعمل ببطاريات أصغر هي الأكثر مبيعًا بشكل منتظم ، وقد قطع صانعو السيارات مثل تسلا خطوات كبيرة في الاستثمار في بطاريات فوسفات الحديد التي تحتوي على طاقة أقل إلى حد ما ولكنها تتطلب مواد نادرة مثل الكوبالت والنيكل أقل من معظمها. – التصاميم الأمثل.

في الولايات المتحدة ، قد يكون هناك أيضًا جمهور للمركبات ذات المدى المنخفض ، خاصة مع شحن البطارية بسرعة فائقة. يقول بيساران من NREL: “الناس في الشقق ليس لديهم شواحن في منازلهم”. “إنهم يرغبون بالتأكيد في الحصول على محطة لشحنهم في غضون خمس أو 10 دقائق.” تأخذ EV الخاص بك إلى مكان مناسب – محطة الوقود المحولة بالقرب من منزلك ، أو في الطريق إلى العمل ، وتملأها بالطاقة .

تقول جيسيكا ترانسيك ، الأستاذة التي تدرس أنظمة الطاقة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، إن النطاق سيظل على الأرجح موضع اهتمام مشتري المركبات الكهربائية. مهما كانت أنواع تقنيات الشحن السريع التي يتم تطويرها ، فسوف يستغرق الأمر وقتًا لإنشائها. الشيء المهم هو أن تكون استراتيجيا بشأن مكان تثبيتها. وتقول: “أحد أسباب عدم رغبتك في تثبيت أجهزة الشحن السريعة المتوفرة حاليًا في كل مكان هو التكلفة”. وتقول إن شحن البطارية بسرعة فائقة يجب ألا يعني التضييق على الاستثمار في الشحن البطيء المتاح للجميع – مثل أجهزة الشحن على جانب الشارع لسكان الشقق. هذا جيد لتوسيع الوصول إلى المركبات الكهربائية ، ومن المحتمل أن يكون مفيدًا للشبكة أيضًا.

تتشكك PESARAN في أن شركات صناعة السيارات ستستمر في الدفع من أجل شحن البطارية بسرعة فائقة أكثر تطرفًا – نطاق أكبر في وقت أقل – نظرًا للطريقة التي يتم بها تسويق نطاق السيارة الكهربائية وقدرات الشحن للتغلب على المشترين المتشككين. وهذا هو السبب في أن كابل شحن المدور الذي يتحمل الحرارة قد يكون مهمًا. أن التعامل مع مشكلة السخونة الزائدة بما يعرف باسم “التبريد على مرحلتين”. تعتمد الأنظمة النموذجية على تدفق السائل عبر طبقة عازلة تلتقط الحرارة من كابل الشحن. تصميمه مشابه ، إلا أنه يشتمل على غليان – القليل منه فقط ، عند نقطة الالتقاء بين المبرد والكابل. تُترجم هذه الفقاعات الصغيرة جدًا ، التي يُسمح لها بإعادة التكثيف بدلاً من إطلاقها كبخار ، إلى مستويات هائلة من التبريد ، مما يسمح للكابل بالتعامل مع ما يقرب من خمسة أضعاف تيار شاحن Tesla Supercharger الحديث.

هوندا وأكورا ينتجان سياراتان تعتمدا على بطاريات Ultium من جنرال موتورز
هوندا وأكورا ينتجان سياراتان تعتمدا على بطاريات Ultium من جنرال موتورز
هوندا وأكورا ينتجان سياراتان تعتمدا على بطاريات Ultium من جنرال موتورز
هوندا وأكورا ينتجان سياراتان تعتمدا على بطاريات Ultium من جنرال موتورز

لكنه لا يزال نموذجًا أوليًا يقتصر على محطة معملية ، وعلى دراسة نُشرت في المجلة الدولية للحرارة والانتقال الشامل العام الماضي. لم يختبر مدور قدرات الحمل الحالية للكابل على السيارات حتى الآن – البطاريات ليست جاهزة لهذا النوع من التيار حتى الآن. تتمثل إحدى المشكلات في عدم التوازن الحراري الذي تخلقه قدرة شحن البطارية بسرعة فائقة الهائلة. سيؤدي الشحن السريع لبطارية سيارة كبيرة إلى توليد الكثير من الحرارة في غضون دقائق. لكنها ستستخدم هذه الطاقة لتشغيل المحرك بوتيرة أبطأ بكثير – على مدار ساعات أو أيام محتملة – لتوليد حرارة أقل بكثير. إذن ، هل يستحق وضع مجموعة من مكونات التبريد الجديدة على سيارة لمدة خمس إلى 10 دقائق فقط من الشحن؟ بالفعل ، معظم وزن حزمة البطاريات ليس خلايا البطارية ، بل العبوات والإلكترونيات ومعدات التبريد.

يشير مدور إلى وجود حلول أخرى ممكنة. يستكشف بعض الناس فكرة حقن سائل التبريد في السيارة أثناء شحن البطارية بسرعة فائقة، حيث يتم تبريد حزمة البطارية أثناء شحنها دون إضافة وزن للسيارة. لكن هذا سيتطلب إعادة التفكير في كيفية تصميم السيارات. هذا ، إلى جانب كل شيء من البطاريات إلى الكابلات والمقابس وخطوط النقل ، يجب إعادة التفكير فيه. كل شيء يحتاج إلى تحمل الحرارة ، كما يشير مدور ، الذي أعلن مؤخرًا عن مركز جديد في بوردو للإدارة الحرارية لعملية شحن البطارية بسرعة فائقة. يقول: “لن تكون تقنيات اليوم قادرة على تلبية تلك المتطلبات الجديدة”.

محطات ABB للشحن فائق السرعة :

المصدر :

 

https://www.wired.com/story/can-super-fast-battery-charging-fix-the-electric-car/

أقرأ أيضا:

اظهر المزيد

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

زر الذهاب إلى الأعلى